突破性电流传感器技术：实现高精度与低功耗的完美结合

电流测量是评估、控制和诊断电子系统运行效率中最常见的参数之一。尽管电流测量非常普遍，但设计人员在测量电流时，若低估了多个变量的细微差别，可能会导致问题。

 

顶尖工程师使用碳化硅MOSFET模块设计高度效率的逆变器，以满足以下设计标准。电流传感器也需要设计成低功耗和紧凑的尺寸，因为这是最重要的设计标准。

 

电流传感器的测量方法

 

电流测量主要有两种技术：分流电阻和霍尔效应。

 

分流电阻由于负载电流流过电阻而消耗功率，因此电阻值必须非常低。电流分流电阻测量稳定性的其他重要参数是温度系数(TCR)和热电动势(EMF)。这两个参数会对电流测量精度产生重大影响。电流分流电阻必须在宽广的电流范围内工作。在低电流(如电池应用的休眠或待机模式)下，分流电阻的热电动势会为电流通过电阻产生的电压增加可测量的误差电压。

 

为了最小化测量误差，此误差电压必须远低于分流电阻关联电流产生的最小预期电压。测量电流流动的第一步是将电流转换为更易测量的电压参数。电流分流电阻是完成此任务的廉价组件。然而，为了优化绝缘技术并最小化其对电路的影响以及电阻本身的功率耗散，分流电阻的值必须很低。使用分流电阻的解决方案有不同的热方面。分流电流测量的工作原理是负载电流通过电阻，测量由此产生的电压降。这导致分流电阻中的功率耗散。逆变器设计人员必须注意最大分流温度不超过200°C。

 

使用霍尔效应传感器时，必须考虑母线的最高温度。典型传感器规定在85°C以下或105°C以下的外壳温度下工作，具体取决于所用设备(图1)。

图1：电流传感器的温度特性和功耗测量数据

 

用于电流测量的低功耗霍尔效应传感器

 

通常，在超过50 kW的某些功率水平下，分流不是一个可行的选择，因为功率损失过大。因此，对于高功率逆变器，应使用霍尔效应传感器围绕输出交流母线进行测量。此类系统的示意图如图1所示。此配置为逆变器提供了一种简单接口控制器和高电气隔离特性的良好解决方案。

 

由于使用霍尔效应测量电流，负载电流不会产生功率损失。霍尔效应传感器主要有两种类型：开环和闭环电流传感器。开环传感器成本较低，所需电源较少，要求较低，但在动态带宽、偏移电压和温度漂移方面通常存在误差特性。闭环传感器克服了这些误差特性，但价格更高且具有极高的电流消耗。

表2：电流测量的四种方法的主要差异总结

 

在典型应用中，开环霍尔效应传感器提供足够的误差特性。然而，在要求极高控制精度的非常苛刻的应用中使用闭环霍尔效应传感器。与其他传感器类型相比，闭环霍尔效应传感器的电源要求非常高。一个额定电流为100A、次级输出为50mA的传统交叉环电流传感器在使用±15V的工作电源时需要1 W的功耗。

 

然而，一个额定电流为100A、次级输出为500mV的交叉环电流传感器在工作电源为+5V时仅需0.5W的功耗。而一个开环电流传感器在电源为5 V时仅需0.1W。因此，对于一个三相转换器，电源必须为传统的闭环电流传感器提供3W的功率。然而，新的开环类型电流传感器在提供总功率为0.3W时可以提高2.7W的电源效率。

 

请参阅图1和表2以了解霍尔效应电流传感器解决方案之间的技术差异。

 

J&D应用了受直流计量设计启发的最新AOCT技术。这项创新技术已被纳入J&D最新的IPCS电流传感器系列，旨在对100A到800A额定范围内的直流、交流和脉冲电流进行非侵入性和隔离测量。

 

IPCS传感器是顶尖工程师的最佳选择之一：它们在低功耗下实现高精度。

 

IPCS传感器具有闭环和开环电流传感器，能够在5 V工作电源下实现高精度、无误差的测量。该技术基于零漂移运算放大器集成电路，利用霍尔效应技术在闭环或开环模式下工作。该技术在-40°C到+85°C的温度范围内提供出色的温度特性和低偏移漂移，非常适用于需要高精度的应用。

 

传感器采用实心芯型PCB安装设计和分体芯型面板安装或DIN导轨安装类型，客户可灵活选择从5 A到800 A的交流或直流电流。IPCS电流传感器有多种尺寸可选。

 

IPCS电流传感器适用于多种应用，包括在70-250 kW太阳能逆变器的交流侧产生电力的现代串联逆变器，它们标准上要求输出电流的直流分量非常低。它们还非常适合用于直流计费表、能源存储系统(ESS)和电动汽车充电模块(图2)。

图2：电动汽车充电模块效率测量概念图

 

总的来说，J&D的IPCS电流传感器系列为工程师提供了解决方案，以设计高效、轻便且体积紧凑的电源模块，同时确保在直流、交流和脉冲电流的非侵入性、隔离测量中提供最高水平的准确性和精度。

 

用于侧面计量的直流电流传感器

 

经济高效的直流电流传感器用于在工业环境中测量直流电流。IDCS系列产品在设计上注重精度和耐用性，非常适合在可再生能源或运输等直流应用中提供精确电流测量(图3)。

图3：用于直流侧电动汽车快速充电的直流电流传感器和直流电表的功率测量图

 

IDCS-I直流电流传感器测量电气装置的直流负载电流，并将信息传输到通过RJ12连接到传感器的电缆上的直流能量计模块。该系列包括适用于新或现有电气装置的从50到5000 A的实心和分体芯传感器。

 

优势

 

· 即插即用，灵活性。

· 快速RJ12连接允许轻松可靠的接线。

· 传感器类别可以快速配置。

· 从50到5000 A的实心芯和分体芯直流电流传感器，设计适用于新或现有电气装置，有多种安装选项可选。